《自然.天文学》月球水之谜：嫦娥五号样本氯同位素等技术手段揭示氨化矿物之谜

原创 同位素地球化学 元素和同位素地球化学 2024年07月19日 11:22 北京

在一项令人瞩目的研究中，中国科学院的科研团队报告称，在嫦娥五号任务带回的月球土壤样本中发现了一种罕见的矿物，该矿物含有大量的水和氨分子。这一发现不仅挑战了月球是一个干旱世界的传统观念，而且提供了关于月球内部挥发性物质历史的新视角，包括氯同位素的独特特征。

这项研究由北京凝聚态物理国家实验室的陈小龙研究员领衔，研究团队在月球样本中鉴定出一种名为(NH₄)MgCl₃·6H₂O的水合矿物，其中包含约41%重量比的水。这种矿物的结构和成分与地球上一种氨化矿物（Novograblenovite，(NH4K)MgCl3·6H 2O的火山区矿物类似，这种矿物是在热玄武岩与富含水分的火山气体反应下形成的。此外，它还与地球上的蒸发岩矿光卤石（carnallite）有相似之处。

图1  ULM-1的照片及组成。a、CE5土壤样品照片。b、ULM-1单晶装在针尖上的照片。c, EDS谱。数据(青色阴影)可拟合(黑线)

研究团队使用了一系列先进的分析技术，包括电子探针微区分析(EPMA)、能量色散X射线光谱(EDS)、拉曼光谱和红外光谱(IR)，以及二次离子质谱法(NanoSIMS)来测量氯同位素比率。这些技术揭示了矿物中丰富的N、Mg、Cl和O元素，同时也检测到了微量的K、Cs、Na、Si、Al、Ca等元素。

利用NanoSIMS设备进行的氯同位素测量显示，该矿物的δ³⁷Cl值异常高，平均达到+24.5‰，远高于地球环境中发现的数值，而与之前研究的月球矿物的氯同位素范围相符。这一发现排除了该矿物可能是由地球污染或火箭排气引起的假设。

ULM-1的氯同位素组成以青色星表示，数据以五次测量的平均值±s.d表示。虚线为陆相矿物记录的最高值，灰色阴影带圈定了- 1.0 ~ +1.0‰(所有值均相对于SMOC)。几乎所有的海中脊玄武岩(MORB)值都落在这个灰色带内，说明最大的陆相含氯储层在0‰附近。在轴上实现了一个断点，以包含在月球上观测到的最高值。地球和地球外的数据来自珊瑚礁。13,34 - 40和其中。误差条为1 s.d;彗发彗星的误差条特别大(±100%，within = 7401);其他误差条要么不可用，要么比符号小。OIB，海洋岛玄武岩.

团队还进行了晶体结构分析，确定了该矿物具有类似于钙钛矿（perovskite）的结构，这与novograblenovite的结构一致。此外，差分电荷密度分析揭示了所有氧原子周围的清晰氢峰，证实了水分子和铵离子周围存在氢键网络。

此次发现不仅提供了关于月球水资源的新线索，还揭示了月球内部可能存在复杂的脱气历史，以及氨分子作为未来月球居住资源的潜力。研究团队的发现还表明，水分子能够在月球的日照区域以水化盐的形式持久存在，这对理解月球上水和氨蒸汽的逸度提供了关键信息。

这一研究成果发表在《自然天文学》杂志上，标志着对月球水和氨分子分布及起源的理解迈出了重要一步，同时也为未来的月球探索和可能的月球基地建设提供了宝贵的科学依据。

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